JPH0666490B2 - レーザ装置 - Google Patents

レーザ装置

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JPH0666490B2
JPH0666490B2 JP8814488A JP8814488A JPH0666490B2 JP H0666490 B2 JPH0666490 B2 JP H0666490B2 JP 8814488 A JP8814488 A JP 8814488A JP 8814488 A JP8814488 A JP 8814488A JP H0666490 B2 JPH0666490 B2 JP H0666490B2
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mirror
laser beam
laser
magnifying
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昭博 大谷
司 松野
公治 安井
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Mitsubishi Electric Corp
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Mitsubishi Electric Corp
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/08—Construction or shape of optical resonators or components thereof
    • H01S3/08081—Unstable resonators

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Lasers (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明はレーザ装置に係り、さらに詳しくは、レーザビ
ームの品質を改良すると共に、このレーザパワーを測定
するようにした大出力レーザ装置に関するものである。
[従来の技術] 第7図は例えばレーザハンドブック(Laser Handbook 1
979. North-Holland Publishing Campaney)に記載され
た不安定型共振器を有する従来のレーザ装置の一例を示
す断面図である。図において、(1)は凹面鏡よりなる全
反射型のコリメートミラー、(2)はコリメートミラー(1)
に対向して配置された凸面鏡よりなる全反射型の拡大ミ
ラーであり、両ミラー(1),(2)はいわゆる不安定型共振
器を構成している。(3)はレーザ媒質で、CO2レーザのよ
うなガスレーザの場合は、放電などにより励起されたガ
ス媒質、YAGレーザのような固体レーザの場合はフラ
ッシュランプ等によって励起されたガラス媒質である。
(4)はウインドミラー、(5)はウインドミラー(4)の面上
に設けられた無反射コーティング膜、(6)は周囲を覆う
箱体、(7)はコリメートミラー(1)と拡大ミラー(2)とに
よって構成された光共振器内に発生するレーザビーム、
(8)は拡大ミラー(2)の周辺部から外部に取出されたレー
ザビームである。
次に上記のように構成したレーザ装置の動作について説
明する。
ミラー(1),(2)はいわゆる不安定型共振器を構成してお
り、拡大ミラー(2)により反射され拡大されたレーザビ
ーム(7)は、レーザ媒質(3)により増幅されるとともにコ
リメートミラー(1)により平行ビームにコリメートさ
れ、拡大ミラー(2)及び拡大ミラー(2)の周辺部上に反射
され、さらにリング状のレーザビーム(8)となってウイ
ンドミラー(4)から箱体(6)の外部にとり出される。取出
されたリング状のレーザビーム(8)はほとんど等位相で
得られるため、レンズ(図示せず)等により集光するこ
とにより中高のビームとなり、鉄板などの切断,溶断等
を効率よくおこなうことができる。
なお、その集光の度合いは取出されるリング状のレーザ
ビーム(8)の内径と外形との比[M値(Magnification f
acter)]できまり、M値が大きいビームほど、すなわ
ち、より中づまりで取出されたビームほどよく集光され
る。しかしM値を大きくすると発振効率が著しく悪化す
るため、工業的に実現にもちいられるM値の上限は2程
度である。
[発明が解決しようとする課題] 上記のように構成した従来のレーザ装置によれば、集光
特性を向上させるためにM値を大きくすると発振効率が
悪化することになる。このため実用的にはM値を最高集
光性能の得られる無限大近くまであげられないという問
題があった。また、ウインドミラー(4)がリング状のレ
ーザビーム(8)により不均一に加熱されるため、ウイン
ドミラー(4)に不均一な内部応力が発生し、ウインドミ
ラー(4)を通過するレーザビーム(8)の位相分布をくずし
て集光性能を悪化させるという問題があった。
本発明は上記のような問題点を解決するためになされた
もので、発振効率の低下を招かずにM値が無限大に近い
高品質のレーザビームを取出し、さらにレーザビーム出
力をモニタできるレーザ装置を得ることを目的とする。
[課題を解決するための手段] 本発明は上記の目的を達成するためになされたもので、
部分透過性を有する拡大ミラーと拡大ミラーで反射拡大
されたレーザビームを拡大ミラー及び拡大ミラーの周辺
部に反射させるコリメートミラーとからなる不安定型の
共振器を有し、この共振器のレーザビーム出射側の外部
に拡大ミラーを通過したレーザビームと拡大ミラーの周
辺部を通過したレーザビームとの位相差を打消す半透過
性の位相補償ミラーを設けると共に、位相補償ミラーを
通過し又は反射したレーザビームの出力を測定するレー
ザパワーセンサを設けたレーザ装置を提供するものであ
る。
[作用] 半透過性の位相補償ミラーにより拡大ミラーと拡大ミラ
ーの周辺部とを通過するレーザビーム間の位相差をなく
して位相のそろったレーザビームを作り出すとともに、
レーザビームのパワーの一部をレーザパワーセンサに導
き、レーザ出力の測定を行う。
[発明の実施例] 第1図は本発明の実施例を示す断面図である。なお、第
7図と同一又は相当部分には同じ記号を付し、説明を省
略する。図において、(4a)はコリメートミラー(1)に対
向して配置されたウインドミラーを兼ねた凸面鏡であ
る。(2a)は凸面鏡(4a)の内面側中央部に設けられた部分
反射性を有する部分反射膜(例えばZnse薄膜)で、拡大
ミラーとして働くようになっている。(5a)は凸面鏡(4a)
の部分反射膜(2a)の周辺部及び外面側に設けられた無反
射コーティング膜(例えばPbF2薄膜)である。(9)は半
透過性の位相補償ミラーで、レーザビーム(8a)の入射側
面の中央部には突出した段差(10)が設けられている。(1
1)は位相差補償ミラー(9)の段差(10)の外周部に設けら
れた半透過性の部分反射コーティング膜、(5b)は他方の
面に設けられた無反射コーティング膜である。(13)は位
相補償ミラー(9)を通過したレーザビーム(12)が導入さ
れ、そのパワーを測定するレーザパワーセンサである。
このレーザパワーセンサ(13)は特に限定するものではな
く、例えば第2図に示すように特開昭60-52072号公報に
開示された入力ポート(16)と出力ポート(17)を有する積
分球(15)と、この積分球(15)の出力ポート(17)から出力
したレーザビームのパワーを測定する検出器(18)とから
構成されたものを使用してもよい。
このようなパワーセンサ(13)においては、入力ポート(1
6)から入射したレーザビーム(12)は積分球(15)の内面で
多数の乱反射レーザビームとなって均一に拡散され、入
射したレーザビーム(12)に比例しかつ均一に減光された
レーザビームを出力ポート(17)から出射し、検出器(18)
によって測定される。したがって、これによりレーザ発
振器から出射するレーザビーム(8a)のレーザパワーを測
定することができる。
なお、このパワーセンサ(13)は、時定数の異なるものを
複数個設けてもよく、例えば、パルス波形測定用の時定
数の短かいものと、平均的出力測定用の時定数の長いも
のとの2種類のパワーセンサを、レーザビームパワーの
測定に使用することもできる。
上記のように構成した本発明の作用を説明すれば次の通
りである。コリメートミラー(1)及び凸面鏡(4a)の部分
反射膜(2a)はいわゆる不安定型共振器を構成しており、
凸面鏡(4a)の部分反射膜(2a)で反射され拡大されたレー
ザビーム(7)は、レーザ媒質(3)により増幅されるととも
に、コリメートミラー(1)により平行ビームにコリメー
トされ、凸面鏡(4a)から箱体(6)の外部にレーザビーム
(8a)として取出される。このレーザビーム(8a)は部分反
射膜(2a)を通過する部分(7a)無反射コーティング膜(5a)
を通過する部分(7b)とからなるが、両者は位相補償ミラ
ー(9)により位相補正されて等位相の中づまり形状のレ
ーザビーム(8b)となって反射し、外部に取出される。こ
のレーザビーム(8b)は中づまりであるため、従来の不安
定型共振器で定義されたM値は無限大に相当することに
なる。
一方、位相補償ミラー(9)を通過したレーザビーム(12)
はレーザパワーセンサ(13)に入射し、レーザビーム(8a)
のレーザパワーが測定される。
なお、本実施例では拡大ミラーとして凸面鏡(4a)を使用
した場合を示したが、拡大ミラーとしての機能を有する
ものであれば、凹面鏡を用いてもよい。
第3図(a),(b)はそれぞれ従来例(第7図)及び本発明
実施例(第1図)に係る不安定型共振器で発生したレー
ザビームをレンズで集光させた場合のパターン形状を模
式的に示した特性図で、横軸は光軸からの距離、縦軸は
ビーム強度を示す。
これらの実験では両者の発振特性をほぼ同一にするた
め、反射膜(2a)の反射率は50%、また部分反射膜(2a)の
径とビーム外形との比は1.5とした(即ち、M=1.5の従
来の不安定型の共振器の拡大ミラー(2)に50%の部分透
過性をもたせて、この発明の不安定型共振器とした)。
また、凸面鏡(4a)の両面の曲率は同一(厚みを一定)と
し、レーザビーム(7)が凸面鏡(4a)を通過した後も平行
ビームであるようにした。
第3図(a),(b)で示される各集光性能を比較すると、本
発明に係る集光性能(第3図(b))は中央強度が高く、
かつ光軸上に集中したレーザビームが得られることがわ
かる。
つぎに位相補償ミラー(9)の作用について述べる。レー
ザビーム(7a),(7b)はそれぞれ凸面鏡(4a)のうち2種類
のコーティング膜(2a),(5a)が設けられた部分を通過し
て箱体(6)の外部に取出される。この場合コーティング
膜(5a)の種類によって通過するレーザビーム(8a)に与え
られる位相変化は異なる。このため位相補償ミラー(9)
がなければ、内部に発生した等位相レーザビーム(7)は
空間的位相分布をもつレーザビームとして外部に取出さ
れることになる。
第4図は第1図に示す凸面鏡(4a)の内面の部分反射膜(2
a)を通過するレーザビームに与えられる位相と、無反射
コーティング膜(5a)を通過するレーザビームに与えられ
る位相との差に対しての集光特性の計算例を示した線図
である。集光特性としては、レーザビームをレンズで絞
ったときのビーム強度が中央の1/e 2になる直径できめ
た集光スポット径と、その径内に全体の何%のパワーが
含まれるかを示すパワー集中度とを示す。前者が小さい
ほどレーザビームは細く絞れ、また後者が大きいほど細
く絞れた範囲内に大量のパワーを集中でき、したがって
効率的な加工ができるため、集光特性がよいと判断でき
る。第4図より集光スポット径を小さく、またパワー集
中度を高く保つためには位相差を約45°以内に保つ必要
があることがわかる。しかし、たとえばCO2レーザ用の
ミラーを例にとっても、この位相差が60°以上になるこ
とはしばしば観測される。位相補償ミラー(9)はこの位
相差を打消すべく構成されており、第1図の例では、レ
ーザビーム(7a),(7b)が通過する部分の間に段差(10)を
設けて、それぞれの厚みに変化をもたせている。
いま、例えば、凸面鏡(4a)内面の部分反射膜(2a)を通過
するレーザビームに与えられる位相が、無反射コーティ
ング膜(5a)を通過するレーザビームに与えられる位相よ
りδ(degree)進んでいるとする。これを補正するための
位相補償ミラー(9)の中央の段差(10)(dとする)は、
第1図の実施例のように位相補償ミラー(9)へのレーザ
ビーム(8a)の入射角が45°の場合は、レーザビーム(8a)
の波長λとすれば、 により求めることができる。
第5図は本発明の他の実施例を示す断面図である。第1
図では位相補償ミラー(9)を通過するレーザビーム(12)
のパワーをレーザパワーセンサ(13)で測定する場合につ
いて示したが、本実施例では位相補償ミラー(9a)で反射
したレーザビーム(12)のパワーを測定するようになって
いる。この場合は、位相補償ミラー(9a)の出射面側に設
けられた凹部、すなわち段差(10a)により、レーザビー
ム(8a)の位相が補償される。
第6図は本発明のさらに他の実施例を示す断面図であ
る。第1図及び第5図の実施例では、位相補償ミラー
(9),(9a)の面上での位相変化は、段差(10),(10a)により
実現する場合を示したが、本実施例では構成の異なる無
反射膜(5c),(5d)を用いたものである。たとえば、CO2レ
ーザ用のミラーを例にとれば、基盤(ZnSe)にPbF21層を
用いても、ZnSe,ThF42層を用いても無反射コーティン
グ膜が実現できるが、この場合、両膜を通過することに
よる位相差は20°以上である。要は中央部とその周囲と
で構成を工夫して位相差が生じるような構成であればよ
い。
[発明の効果] 以上の説明あら明らかなように、本発明によれば不安定
型の共振器の拡大ミラーに部分的透過性をもたせる構成
としたので、発振効率を犠牲にすることなく中づまりの
集光特性のよいレーザビームが得られ、従ってこのレー
ザビームを利用することにより高速で効率よく高精度の
レーザ加工をおこなうことができる。またレーザビーム
は、凸面鏡及び位相補償ミラーの全体を加熱するため、
熱応力が発生しにくく安定して長期間ビームを取出すこ
とができるとともに、正確なレーザパワーの測定が可能
になる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の実施例を示す断面図、第2図は本発明
に使用するパワーセンサの一例を示す断面図、第3図
(a),(b)はそれぞれ従来例及び本発明実施例によるレー
ザビームのパターン形状を示す特性図、第4図は位相補
償の必要性を説明するための線図、第5図は本発明の他
の実施例を示す断面図、第6図は本発明の他の実施例の
要部拡大図、第7図は従来のレーザ装置の一例を示す断
面図である。 (1)…コリメートミラー、(2a)…部分反射膜、(3)…レー
ザ媒質、(4a)…凸面鏡、(5a),(5b),(5c),(5d)…無反射
コーティング膜、(7),(7a),(7b),(8a),(8b),(12)…レー
ザビーム、(9),(9a)…位相補償ミラー、(10),(10a)…部
分反射コーティング膜、(13)…レーザパワーセンサ。 なお図中、同一符号は同一又は相当部分を示すものとす
る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−199686(JP,A) 特開 昭64−20679(JP,A) 特開 昭62−185386(JP,A)

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】部分透過性を有する拡大ミラーと、この拡
    大ミラーに対向配置され上記拡大ミラーで反射拡大され
    たレーザビームを上記拡大ミラー及び拡大ミラーの周辺
    部に反射させるコリメートミラーとからなる不安定型共
    振器を有し、 この不安定型共振器のレーザビーム出射側の外部に上記
    拡大ミラーを通過したレーザビームと拡大ミラーの周辺
    部を通過したレーザビームとの位相差を打消す半透過性
    の位相補償ミラーを設けると共に、この位相補償ミラー
    を通過し又は反射したレーザビームのレーザパワーを測
    定するパワーセンサを設けてなるレーザ装置。
JP8814488A 1988-04-12 1988-04-12 レーザ装置 Expired - Lifetime JPH0666490B2 (ja)

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